由于交通仿真中存在着大量的数值计算,所以随着20世纪60年代计算机技术的飞速发展,才开始出现交通仿真的研究工作。英国的D.L.Robson于1968年提出了TRANSYT模型,它是早期最具有代表性的研究成果。TRANSYT模型是一种宏观仿真模型,主要用来确定定时交通信号参数的最优值。在这一时期,比较典型的研究成果还包括TRANS、VTS、SIGOP等,这一时期的交通仿真系统的特点是以优化城市道路的信号设计为应用目的,模型多采用宏观模型,模型的灵活性和描述能力较为有限,仿真结果过于笼统,难以达到实用的目标,只能作出一些定性的描述。之所以出现这样的情况,一方面是由于研究尚处在起步阶段,更重要的受限于当时的计算机的性能。以后的实践表明了:交通仿真技术的发展与计算机技术的进步是息息相关的。
20世纪70年代后,计算机运算速度的提高也给交通仿真技术带来了新的活力。最为显著的变化就是:出现了中观和微观交通仿真模型,这就大大提高了模型的描述精度,功能也更加多样化。在这期间,出现了以FLEXSYT-2、NETSIMU、FRESIM、AIMSUM2等为代表的一批仿真软件,其中根据美国联邦公路局提出的模型而开发的NETSIMU最为成功,并且得到了广泛的应用。该模型是一个描述单个车辆运动的、系统基于时间驱动的微观交通网络仿真模型,其对城市道路的交通现象的描述精度达到了与实际情况基本相一致的程度。大部分常见的交通现象如跟车行驶、变换车道、车流冲突、公交运行、行人冲突、短车道溢出等,以及常见的交通控制管理措施如固定信号控制、感应控制、主次优先控制、车道关闭等均可通过仿真软件进行模拟。评价指标除了常规的延误时间、速度、行程时间、排队长度等常规指标外,还可描述诸如排队溢出、油耗、废气排放等指标。此外,模型对道路几何条件的描述也更为灵活。NETSIMU历经数次修改,功能日趋强大,广泛应用于动态交通控制与管理系统方案优化、交通设计方案优化以及交通工程相关领域的理论研究方面。时至今日,NETSIMU模型仍是目前应用最为广泛的仿真模型。美中不足的是:该模型在网络模型的描述功能上极为有限。
从80年代末开始,国际上逐渐兴起了对智能交通系统(ITS)的研究热潮,世界各国的交通仿真软件的研究都开始以ITS为研究背景,并且出现了前所未有的繁荣局面,出现了一大批评价和分析ITS系统效益的仿真软件系统,下表对这些软件的基本情况做些介绍。


§2.2交通仿真在我国的发展与现状
与国外相比,我国在交通仿真方面的研究起步较晚,直到80年代后期才开始有关这方面的研究,先期的主要研究单位有清华大学、东南大学、交通部公路科学研究所等。早期的研究方法与研究方向比较多样化,但大多数都是从物理学的角度来进行的,有的是从流体力学的角度来进行宏观仿真,有的是从元胞自动机的角度来进行微观仿真。
从流体力学角度进行的研究,取得的成果十分有限,它根本无法描述交通系统中的细节性问题,只能进行宏观描述[11]。宏观模型包括质量输运方程、连续性方程和动态速度—密度关系,宏观模型也有很多种类,其差异主要体现在动态速度—密度关系上。宏观模型的一个研究难点在于:研究者通常都将宏观模型转换成差分形式,在这转换过程中,有两个参数的选择至关重要。一个是空间步长,一个是时间步长。空间步长和时间步长的过小都会导致准确性较差,难以保证宏观性;而空间步长的过大又会导致车流的局域异质化,时间步长的过大又会使集聚变量丧失物理意义。此外,差分格式如果选取的不当会使计算失稳或不收敛。由于以上诸多因素的限制,从流体力学的角度来进行的交通仿真研究近年来已经销声匿迹,没有见到更进一步的研究成果刊载。
与此形成鲜明对比的是:越来越多的学者开始从元胞自动机的角度入手,绝大多数都是用一维元胞自动机,也有少数用的是二维元胞自动机,但不管是用几维,他们的研究都只围绕着以下几个方面进行[6,7,8,9,10]:
1:提出各种新的基于元胞自动机的模型,并且验证这些模型的有效性。例如:高速车随机延迟逐步加速交通流元胞自动机模型、改进的Nagel-Schrekenberg单车道元胞自动机交通流模型等。
2:从微观模型入手,推导在一定条件下的宏观演化规律。例如:车流稳态时的平均速度与车辆密度之间的关系;模型中的关联函数与转入、转出及刹车概率之间的关系;转向概率对引起交通堵塞现象的临界密度和对交通状态的影响等。
这些研究基本上都是从物理学的角度去进行的,而且更为重要的是,它们几乎都是研究在高速公路上的车流演化情况,它们所依据的一个基本准则[1](即公路上的车流密度与车流量关系准则),对于城市内的道路来说,显而易见是不合适的。因为根据车流密度与车流量关系准则:当道路上的车辆的密度达到最大值的时候,道路上的汽车流量为零。这对于高速公路或许是合理的,但对于城市道路来说,明显是荒谬的。因为处在城市道路上的汽车的速度,远不及高速公路上汽车的速度快。这样,即使道路上的汽车密度很大,它们还是可以整体同步前移的。
目前国内虽然从物理学方面进行交通仿真的研究正进行得如火如荼,但在研究开发具有自主知识产权的城市道路交通仿真软件领域,还几乎是一片空白。现在,深圳和上海等地在进行城市道路建设的时候,已经开始运用交通仿真软件进行建设方案的评估,而且也取得了较好的社会经济效益。但是,相关部门在进行这项工作时,并没有去开发自己的软件,而只是购买国外的软件。所以,本文将在这一方面作出一些初步的尝试工作。


